CN105422108B - 一种基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，包括步骤：一、泥水仓清理：盾构机停止掘进，通过泥水环流系统将泥水仓内石头颗粒等杂质清理干净；二、泥水仓及盾体周围土体冻结：通过具有冷冻功能的泥水平衡盾构机上的冻结系统对盾构机泥水仓及盾体周围土体进行冻结；三、开凿与同步换刀：对冻结的泥水仓进行人工开凿与清理，并在清理过程中同步换刀；四、解冻及恢复工作。本发明设计合理、操作简单、成本低且为常压换刀方式、安全系数高，能够有效解决泥水平衡盾构机位于地质松散、掌子面自稳能力差的位置时换刀难度大、风险高的实际问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于隧道工程领域的带冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法。
背景技术
随着地下空间工程建设的迫切需要和科学技术水平的提高，对于地质条件复杂，穿越松散、含水地层的隧洞工程，一般采用泥水平衡盾构机施工。在盾构施机工过程中，刀盘、刀具会在外力作用下出现过度磨损等失效等现象，这时需要对刀盘发生故障处进行维护，对刀具进行更换。
目前，国内外用于泥水平衡盾构机进仓更换刀具方法主要有如下三种：
(1)加气带压进仓换刀法
加气带压进仓换刀法是指利用盾构机上配有的空压机输送高压气体至掌子面使之保持平衡，达到平衡后，工作人员由人闸进入开挖仓内对刀具进行维修。
(2)常压开仓换刀法
常压开仓换刀法是指当掌子面地层稳定，地下水含量较少时，可以直接打开泥水仓进入开挖仓内，对刀具进行检修。
(3)带压潜水换刀法
带压潜水换刀法是指当埋深较大，地下水位较高，这时掌子面稳定性差，且地下水含量较丰富，这时需要专业的施工人员潜入开挖仓内对刀具进行维修。
以上三种换刀方法在工程应用中存在下述问题：
对于加气带压进仓换刀法，缺乏相关的气压作业规范和规程，且在高压环境下进行气割、焊接等作业相当困难，难以对刀具磨损部分进行修复。
对于常压开仓换刀法，对工况有特殊的需求，要求刀盘上具有可常压更换刀具结构，不能普遍适用于盾构机的维护，另外在实施过程中存在占用地面、影响交通、工期较长等问题。
对于带压潜水换刀法，该种换刀方法需要专业队伍进行，存在施工安全性差、难度大、技术要求高、费用高等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作方便、成本低、安全性高，能有效解决泥水平衡盾构机在恶劣条件下换刀时易发生涌水涌砂、掌子面塌方的问题的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法,所述的泥水平衡盾构机包括进浆管、盾体、刀盘、泥水仓、气垫仓、主驱动单元、后隔板、排浆管和前隔板，在所述的刀盘和所述的盾体上布置有冻结循环管路；在所述的前隔板上布置有加热管路；冷冻机组、储藏槽和加热装置安装于泥水平衡盾构机的后配套系统中，所述的冻结循环管路通过进液管、回液管与所述的冷冻机组、储藏槽和加热装置相连，所述的加热管路通过进液管、回液管与所述的加热装置相连，包括以下步骤：
步骤一、泥水仓清理：
盾构机停止掘进，泥水环流系统保持工作，直至泥水仓内部大部分的石头颗粒杂质排出；清理泥水仓时，刀盘保持一定转速，以便于对仓内石头颗粒等杂质进行清理与运输，直至仓内残存异物大部分清除干净再停止刀盘旋转；泥水仓清理过程中，对泥水仓内部压力进行实时监测；
步骤二、泥水仓及盾体周围土体冻结：
采用冻结系统对泥水仓中的泥浆、刀盘和盾体周围土体进行冻结，所述冻结系统的冷冻机组安装在盾构机的后配套系统上，冻结循环管路分别安装在刀盘的侧向或内部，隔板侧向或内部，盾体的外侧、或内侧；在泥水仓冻结过程中，往刀盘和盾体周围区域的冻结循环管路中注入冷媒，主驱动单元处循环管路中注入导热液，以防止主驱动单元在泥水仓冻结过程中温度过低而造成损伤；在冻结过程中需要对泥水仓内的压力和温度进行实时监测，当压力过大时，通过调整气垫仓内压力进行卸压处理，仓内温度控制在-5℃以下；
步骤三、开凿与同步换刀：
待步骤二中的泥水仓及盾体周围土体冻结完毕后，释放气垫仓内的压缩空气并在常压下开仓作业，此时冷冻系统继续工作，保证泥水仓内的温度控制在-5℃以下；采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具更换要求时，停止开凿并对该处刀具进行更换；当一处刀具更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有需更换刀具全部更换完成；
步骤四、解冻及恢复工作：
待步骤三完成后，先对气垫仓进行加压，然后对进浆管进行解冻，并向泥水仓中开凿区域填补泥浆；气垫仓加压和泥浆填充完成后，通过往循环管道内注入导热液的方式对泥水仓残存冻结体进行解冻；整个解冻过程中，需要对泥水仓内的压力进行实时监控，当压力过小时，通过空气压缩机对泥水仓进行加压处理，反之亦然，在解冻过程中保证泥水仓内的压力稳定在1.5bar～6.0bar之间。
步骤一中对泥水仓内石头颗粒异物清理过程中，刀盘根据实际情况保持低速旋转，以防止石头颗粒异物在开挖仓底部沉积。
所述的刀盘保持0.5～1.5转/每分钟低速旋转。
步骤一中对泥水仓内的压力进行实时监控时，应根据盾构机当前施工位置的实际水土压力，将泥水仓内的压力控制在1.5bar～6.0bar之间。
步骤二中在对泥水仓冻结之前，需通过空气压缩机将气垫仓内的泥浆液位控制在气垫仓的二分之一以下，以防止由于泥水仓冻结过程中冻结体体积膨胀对气垫仓造成不良的影响。
步骤二中在对泥水仓、刀盘和盾体周围土体进行冻结过程中，需在往刀盘和盾体周围区域的循环管路中注入冷媒的同时，往主驱动单元处循环管路中注入导热液，以防止主驱动单元在泥水仓冻结过程中温度过低而造成损伤。
步骤二中对泥水仓内的压力实时监测时，由于冻结过程中泥浆体积会随之增大，此时气垫仓内压力会随之增大，需通过释放气垫仓内部分压缩空气将泥水仓内压力控制在1.5bar～6.0bar之间。
通过往步骤二所述的循环管路中注入导热液对泥水仓中残存冻结体进行解冻，整个过程中应对泥水仓内的压力进行实时监控，保证压力稳定且控制在1.5bar～6.0bar之间。
步骤三所述对冻结的泥水仓进行常压开仓之前，应对泥水仓和盾体周围土体的冻结状况进行检查，使用钢钎通过后隔板上方预留孔洞对泥水仓和盾体周围土体的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则泥水仓与盾体周围土体冻结成型，此时释放气垫仓内压缩空气，在常压下进行开仓，随后进行冻结泥浆的开凿和同步换刀作业。
步骤四所述对泥水仓进行解冻之前，应先通过注入压缩空气的方式对气垫仓进行加压，然后对进浆管进行解冻，并利用进浆管对开凿过的区域进行泥浆填充。
采用上述技术方案的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，与现有技术相比具有以下优点：
1、施工方法和换刀步骤简单方便，实现方便；
2、整个换刀过程中处于常压状态，安全系数高，换刀效率高且实施成本低，能够在不影响工期的情况下快速、有效的完成换刀。
3、设计合理，实际换刀过程主要包括泥水仓清理、泥水仓及盾体周围土体冻结、开凿与同步换刀和解冻及恢复工作四个步骤。在泥水仓冻结与解冻的过程中，通过向气垫仓注入和释放压缩空气的方式决有效解决了泥浆在冻结和解冻过程中由于体积发生变化而造成的泥水仓压力变化问题，提高了泥水仓冻结与解冻过程的安全性。
4、实用价值高且适用面广，能够有效解决泥水平衡盾构机位于地质松散、掌子面自稳能力差的位置时换刀难度大、风险高的实际问题，且本发明换刀时无任何前提条件，能够适用于任何地质情况。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明对泥水平衡盾构机进行换刀的方法流程框图。
图2为具有冻结功能泥水平衡盾构机结构示意图。
图中：1-进浆管，2-冻结循环管路，3-人舱，4-圆环盖板，5-盾体，6-气垫仓，7-前舱门，8-第一盖板，9-刀盘，10-刀具，11-刀盘支撑臂，12-泥水仓，13-主驱动单元，14-加热管路，15-第二盖板，16-中心回转接头，17-后隔板，18-排浆管，19-空气压缩机，20-前隔板，21-空气控制阀，22-加热装置，23-储藏槽，24-冷冻机组,25-进液管,26-回液管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图2，具有冻结功能的泥水平衡盾构机，包括进浆管1、盾体5、人舱3、刀盘9、刀具10、刀盘支撑臂11、泥水仓12、主驱动单元13、气垫仓6、空气压缩机19、空气控制阀21、后隔板17、排浆管18和前隔板20，前舱门7和加热管路14安装于前隔板20上，在刀盘9和盾体5上布置有冻结循环管路2；包括有对主驱动单元13加热的加热管路14；还包括加热装置22、储藏槽23和冷冻机组24，冻结循环管路2通过进液管25、回液管26、中心回转接头16与冷冻机组24和储藏槽23相连，加热装置22通过进液管25、回液管26与加热管路14相连。加热装置22、储藏槽23和冷冻机组24安放于后配套系统系统。
具体地，刀盘9安装有第一盖板8，冻结循环管路2以间断圆环形式布置于第一盖板8与刀盘9之间。
具体地，盾体5周向安装有圆环盖板4，冻结循环管路2布置于圆环盖板4与盾体5之间。
具体地，冻结循环管路2以螺旋线形式固定于盾体5的外侧、内侧或内部。
具体地，加热管路14布置于前隔板20靠气垫仓6一侧，加热管路14上方装有第二盖板15。
具体地，加热管路14以同心圆方式均布在前隔板20端面上。
如图1和图2所示的一种适用于具有冷冻功能的泥水平衡盾构机在位于地质松散、掌子面自稳能力差的位置时，能够安全、高效的进行换刀的基于具有冻结功能泥水平衡盾构机的换刀方法，包括以下步骤：
步骤一、泥水仓清理：
采用进浆管1和排浆管18同时工作的方式进行泥水仓清理，所述进浆管1安装在泥水仓12的侧壁上部，所述排浆管安装在泥水仓12的侧壁下部；进行泥水仓12清理时，盾构机停止掘进，刀盘9保持0.5～1.5转/每分钟的转速，防止由于掘进产生的石头颗粒等杂质在泥水仓12中沉积，直至泥水仓12中的石头颗粒等杂质清除干净后，再停止刀盘9旋转；泥水仓清理过程中，应对泥水仓12内部压力进行实时监控，并将泥水仓12内部压力控制在1.5bar～6.0bar之间。
实际施工过程中，对泥水仓12内部压力进行实时监控时，根据盾构机当前施工位置处掌子面的实际水土压力，通过气垫仓6加压或卸压的方式将泥水仓12内部压力在1.5bar～6.0bar之间调整，使得泥水仓12内部压力大小和当前施工位置掌子面的实际水土压力大小一致。
实际施工过程中，通过观察排浆管18末端所排泥浆中是否含有石头颗粒等杂质判断泥水仓12是否清理干净。当泥水仓12清理干净后，通过关闭分别安装在进浆管1和排浆管18上的球阀结束进浆和排浆过程，并停止刀盘9的转动。
综上，泥水仓清理过程是将泥水仓12内的由于掘进产生的石头颗粒等杂质排出，其主要有两个作用：一是确保泥水仓12中全部充满泥浆，有助于步骤二泥水仓冻结的实施；二是确保泥水仓冻结之后，内部结构稳定，为泥水仓开凿降低施工难度，保证清仓人员的安全。
步骤二、泥水仓及盾体周围土体冻结：
步骤一中泥水仓清理结束后，进行泥水仓及盾体周围土体冻结过程：在进行泥水仓12及盾体周围土体冻结之前，先通过空气压缩机19往气垫仓6中注入压缩空气，使得气垫仓6内泥浆液位在气垫仓6的二分之一以下；之后冷冻机组24往冷冻循环管路2内注入液氨的方式对泥水仓12、刀盘9和盾体5周围土体进行冻结，所述冷冻机组安装在盾构机的后配套系统上，冷冻循环管路2分别安装在刀盘9侧向或内部，前隔板侧向或内部，盾体5外侧、内侧或内部；冻结过程中往盾体5和刀盘9区域冻结循环管路2注入冷媒，往主驱动单元13区域循环管路注入导热液。在冻结过程中对泥水仓12内的压力和温度进行实时监测，由于泥浆在冻结过程中体积会增大，导致泥水仓12中压力增大，此时需要通过空气控制阀15调节泥水仓12内压力大小，使其与当前施工位置掌子面的实际水土压力大小一致，同时仓内温度需控制在-5℃以下。
实际施工过程中，在调整气垫仓6内泥浆液位过程中，需要通过同步调节进浆管1和排浆管18的流量保证泥浆在气垫仓6内液位下降过程中泥水仓12内压力的稳定。冻结泥水仓12之前调整气垫仓6内泥浆液位在气垫仓6的二分之一以下是为了防止泥浆冻结过程中体积增大而导致气垫仓6内空间狭小，清仓人员无法进入仓内进行清理。
实际施工过程中，在泥水仓及盾体周围土体冻结过程中，通过控制安装在冷冻循环管路2上的阀门，将冷媒注入到盾体5和刀盘9区域的冻结循环管路2中，对泥水仓12、刀盘9和盾体5周围土体进行冻结，将导热液注入到主驱动单元13区域循环管路中，以防止主驱动单元13在泥水仓冻结过程中温度过低而造成损伤。
综上，步骤二中进行泥水仓及盾体周围土体冻结是通过具有冷冻功能泥水盾构机上的冷冻机组往冷冻循环管路2内注入冷媒对泥水仓12、刀盘9和盾体5周围土体进行冻结，其目的是加固盾体周围土体和加强泥水仓12内泥浆的稳定性。
步骤三、开凿与同步换刀：
待步骤二中泥水仓12、刀盘9和盾体5周围土体冻结结束后，通过空气控制阀门15释放气垫仓内的压缩空气并打开人舱3和前舱门7，此过程中冷冻系统持续工作，保证泥水仓12内温度控制在-5℃以下。采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具10更换要求时，停止开凿并对该处刀具10进行更换；当一处刀具更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有刀具全部更换完成。
实际施工过程中，步骤三所述对冻结的泥水仓12进行常压开仓之前，应对泥水仓12和盾体周围土体的冻结状况进行检查，使用钢钎通过后隔板上方预留孔洞对泥水仓12和盾体周围土体的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则泥水仓12与盾体周围土体冻结成型。此时释放气垫仓6内压缩空气，在常压下打开人舱3和前舱门7，随后进行冻结泥浆的开凿和同步换刀作业。
实际施工过程中，步骤三所述对泥水仓12进行开凿与同步换刀过程中，冷冻系统需持续工作，确保刀盘9和盾体5周围土体一直处于冻结状态，保证掌子面的稳定。
综上，开凿过程是对泥水仓12内的泥浆冻结体进行人工清理，清理过程中同时进行刀具10更换。
步骤四、解冻及恢复工作：
步骤三完成后，首先利用空气压缩机19对气垫仓6进行加压，然后通过往进浆管1区域的循环管路注入高温盐水的方式对进浆管1进行解冻，随后打开进浆管1阀门，向泥水仓12内开凿区域填补泥浆。气垫仓6加压和泥浆填充完成后，往其他区域循环管路内注入高温盐水，对泥水仓12、刀盘9和盾体5周围土体进行解冻。整个解冻过程中，需对泥水仓12内的压力进行实时监控，当压力过小时，通过空气压缩机19对泥水仓12进行加压处理，反之亦然，在解冻过程中保证泥水仓12内压力稳定在1.5bar～6.0bar之间。待解冻完成之后，盾构机恢复正常工作。
实际施工过程中，在进浆管1向泥水仓12开凿区域注浆过程中，排浆管18一直处于关闭状态，待注浆完成且泥水仓12内压力稳定之后再开启排浆管18阀门，开始排浆。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法, 所述的泥水平衡盾构机包括进浆管（1）、盾体（5）、刀盘（9）、泥水仓（12）、气垫仓（6）、主驱动单元（13）、后隔板（17）、排浆管（18）和前隔板（20），在所述的刀盘（9）和所述的盾体（5）上布置有冻结循环管路（2）；在所述的前隔板（20）上布置有加热管路（14）；冷冻机组（24）、储藏槽（23）和安装于泥水平衡盾构机的后配套系统中，所述的冻结循环管路（2）通过进液管(25)、回液管(26)与所述的冷冻机组（24）、储藏槽（23）和加热装置（22）相连，所述的加热管路（14）通过进液管(25)、回液管(26)与所述的加热装置（22）相连，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、泥水仓清理：
盾构机停止掘进，泥水环流系统保持工作，直至泥水仓（12）内部大部分的石头颗粒杂质排出；清理泥水仓（12）时，刀盘（9）保持一定转速，以便于对仓内石头颗粒杂质进行清理与运输，直至仓内残存异物大部分清除干净再停止刀盘（9）旋转；泥水仓（12）清理过程中，对泥水仓（12）内部压力进行实时监测；
步骤二、泥水仓及盾体周围土体冻结：
采用冻结系统对泥水仓（12）中的泥浆、刀盘（9）和盾体（5）周围土体进行冻结，所述冻结系统的冷冻机组安装在盾构机的后配套系统上，冻结循环管路（2）分别安装在刀盘（9）的侧向或内部，隔板侧向或内部，盾体（5）的外侧或内侧；在泥水仓（12）冻结过程中，往刀盘（9）和盾体（5）周围区域的冻结循环管路（2）中注入冷媒，主驱动单元（13）处循环管路中注入导热液，以防止主驱动单元（13）在泥水仓（12）冻结过程中温度过低而造成损伤；在冻结过程中需要对泥水仓（12）内的压力和温度进行实时监测，当压力过大时，通过调整气垫仓（6）内压力进行卸压处理，仓内温度控制在-5℃以下；
步骤三、开凿与同步换刀：
待步骤二中的泥水仓（12）及盾体（5）周围土体冻结完毕后，释放气垫仓（6）内的压缩空气并在常压下开仓作业，此时冷冻系统继续工作，保证泥水仓（12）内的温度控制在-5℃以下；采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具（10）更换要求时，停止开凿并对该处刀具进行更换；当一处刀具更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有需更换刀具（10）全部更换完成；
步骤四、解冻及恢复工作：
待步骤三完成后，先对气垫仓（6）进行加压，然后对进浆管（1）进行解冻，并向泥水仓（12）中开凿区域填补泥浆；气垫仓（6）加压和泥浆填充完成后，通过往循环管路内注入导热液的方式对泥水仓（12）残存冻结体进行解冻；整个解冻过程中，需要对泥水仓（12）内的压力进行实时监控，当压力过小时，通过空气压缩机（19）对泥水仓（12）进行加压处理，反之亦然，在解冻过程中保证泥水仓（12）内的压力稳定在1.5bar～6.0bar之间。
2.根据权利要求1所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤一中对泥水仓（12）内石头颗粒异物清理过程中，刀盘（9）根据实际情况保持低速旋转，以防止石头颗粒异物在开挖仓底部沉积。
3.根据权利要求2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：所述的刀盘（9）保持0.5～1.5转/每分钟低速旋转。
4.根据权利要求1或2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤一中对泥水仓（12）内的压力进行实时监控时，应根据盾构机当前施工位置的实际水土压力，将泥水仓（12）内的压力控制在1.5bar～6.0bar之间。
5.根据权利要求1或2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤二中在对泥水仓（12）冻结之前，需通过空气压缩机（19）将气垫仓（6）内的泥浆液位控制在气垫仓（6）的二分之一以下，以防止由于泥水仓（12）冻结过程中冻结体体积膨胀对气垫仓（6）造成不良的影响。
6.根据权利要求1或2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤二中对泥水仓（12）内的压力实时监测时，由于冻结过程中泥浆体积会随之增大，此时气垫仓（6）内压力会随之增大，需通过释放气垫仓（6）内部分压缩空气将泥水仓（12）内压力控制在1.5bar～6.0bar之间。
7.根据权利要求1或2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：通过往步骤二所述的循环管路中注入导热液对泥水仓（12）中残存冻结体进行解冻，整个过程中应对泥水仓（12）内的压力进行实时监控，保证压力稳定且控制在 1.5bar～6.0bar之间。
8.根据权利要求1或2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤三对冻结的泥水仓（12）进行常压开仓之前，应对泥水仓（12）和盾体周围土体的冻结状况进行检查，使用钢钎通过后隔板上方预留孔洞对泥水仓（12）和盾体周围土体的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则泥水仓（12）与盾体周围土体冻结成型，此时释放气垫仓（6）内压缩空气，在常压下进行开仓，随后进行冻结泥浆的开凿和同步换刀作业。
9.根据权利要求1或2所述的基于具有冻结功能的泥水平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤四对泥水仓（12）进行解冻之前，应先通过注入压缩空气的方式对气垫仓（6）进行加压，然后对进浆管（1）进行解冻，并利用进浆管（1）对开凿过的区域进行泥浆填充。
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